Neue Form der Qubit-Kontrolle kann länger dauern Rechenzeiten

Sie können das Heisenberg-Limit nicht überschreiten, aber mit genügend Mathematik können Sie sich dem nähern.Sie können das Heisenberg-Limit nicht überschreiten, aber mit genügend Mathematik können Sie es nahe kommen. Fokus-Eigenschaften

Beim Quantencomputing dreht sich alles um die Steuerung von Quantenzuständen. In letzter Zeit wurden Nachrichten über Quantencomputer verbreitet Zeug, mit der zugrundeliegenden Fähigkeit, Dinge zu kontrollieren, für die man etwas braucht gewährt. Aber die Wahrheit ist, dass Kontrolle immer noch ein begrenzender Faktor ist bei der Entwicklung von Quantencomputern.

Im Zentrum der Materie steht das Qubit, ein Quantenobjekt, das wird zum Codieren von Informationen verwendet. Ein Teil der Kraft eines Quantums Computer ist, dass ein Qubit in einen Überlagerungszustand versetzt werden kann – mehr darüber unten – das erlaubt eine Art Parallelität. Das Ziel von a Der Quantenalgorithmus manipuliert den Überlagerungszustand des Qubits Wenn wir also das Qubit messen, gibt es einen Bitwert zurück, der entspricht der richtigen Antwort.

Und das bedeutet, den Überlagerungszustand zu steuern, der beinhaltet ziemlich viel hochpräzise (und teure) Ausrüstung. Verbesserungen sind in der Regel mit noch teureren Geräten verbunden. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass wir unsere. Verbessern können Steuerung um den Faktor 1.000 mit vorhandenen Geräten und clever Denken.

Der Autor sollte und sollte nicht lange beiseite geschrieben haben über die Überlagerung

Um das Steuerproblem zu verstehen, brauchen wir ein bisschen Verständnis über Überlagerung. Wenn wir ein Quant beschreiben Überlagerungszustand verwenden wir oft eine Abkürzung und sagen so etwas wie “Dies bedeutet, dass sich das Teilchen an zwei Positionen gleichzeitig befindet.”

Aber das ist wirklich nicht für unsere Zwecke geeignet, und ich denke es ist sowieso irreführend. Ein Quantenobjekt hat eine Reihe von Eigenschaften dass wir messen können. Bis eine Eigenschaft, wie Position, gemessen wird, es hat keinen Wert. Stattdessen müssen wir über Wahrscheinlichkeiten nachdenken: wenn wir sollten eine Messung durchführen, wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass wir würde einen bestimmten Wert erhalten?

Das ist die Oberfläche. Unter der Oberfläche ist eine sehr ungewöhnliche Konzept genannt “Wahrscheinlichkeitsamplitude.” Eine Wahrscheinlichkeit ist immer positiv (oder Null) und real, aber eine Amplitude kann positiv sein, negativ oder sogar komplex (wenn Sie nicht wissen, was für eine komplexe Zahl ist, mach dir keine Sorgen). Das ändert alles.

Stellen wir uns vor, wir haben ein einzelnes Partikel und feuern es an ein Bildschirm mit zwei Löchern. Das Teilchen kann durch jedes Loch gelangen oder auf den Bildschirm drücken. Auf der anderen Seite des Bildschirms platzieren wir a und fragen uns: “Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass wir Teilchen entdecken? ”

Nun, um das zu erhalten, müssen wir die Wahrscheinlichkeit addieren Amplituden jedes Weges, den das Teilchen zum Detektor nehmen kann. Die Amplituden können positiv oder negativ sein, die Summe also nicht unbedingt größer. Es kann sogar Null sein.

Wenn wir diese Berechnung für viele verschiedene durchführen, ist dies möglich Detektorpositionen finden wir viele Orte, an denen die Wahrscheinlichkeit ist absolut null und viele Orte, die gleich wahrscheinlich sind. Wenn du Führen Sie dieses Experiment durch, genau das messen Sie. Nach einer es passieren tausend einzelne Teilchen die Löcher Einige Orte, an denen sie nie entdeckt werden, und andere, an denen sie sich befinden regelmäßig erkannt.

Wohin gehe ich mit all dem? In der Quantenmechanik, um Um diese Ergebnisse genau vorhersagen zu können, müssen Sie alles Mögliche wissen Wege, auf denen ein Teilchen eine bestimmte Position erreichen kann. Also, in unserer Im obigen Beispiel müssen wir beide Pfade zum berücksichtigen Detektor. Dies führt dazu, dass die Leute sagen, dass das Teilchen durchgeht beide löcher auf einmal.

Die Addition der Wahrscheinlichkeitsamplituden bestimmt jedoch, wo Ein Partikel kann erkannt werden und wird dort niemals erkannt. Damit, Wenn Sie einen der Pfade ändern, den das Partikel nehmen kann, bedeutet dies Sie modifizieren die Amplituden und verschieben so den Ort, an dem die Partikel können gefunden werden.

Überlagerung verwenden

Die Wahrscheinlichkeit, einen Wert zu messen, hängt also von der Historie ab der Wahrscheinlichkeitswelle. Dies umfasst alle möglichen Pfade. Und das kann in einen ausgezeichneten Sensor verwandelt werden. In der Tat nutzen wir dies Eigenschaft, den Lauf der Zeit mit exquisiter Sensibilität zu messen. Es eignet sich auch gut zum Messen anderer Eigenschaften.

Ein häufiges Beispiel ist das Erfassen von Magnetfeldern. So etwas wie eine elektron ist auch ein winziger magnet. Der Magnet des Elektrons wird entweder Ausrichten mit dem Magnetfeld oder Anti-Align. Also können wir das setzen Elektron in einem Überlagerungszustand von ausgerichtet und anti-ausgerichtet. Das Die Wirkung des Magnetfeldes besteht darin, die Wahrscheinlichkeit zu verändern Amplituden der beiden Zustände, während die Größe der Änderung abhängt auf die Stärke des Magnetfeldes.

Nach dem Durchgang durch das Magnetfeld messen wir die Orientierung des Elektronenmagneten. Eine individuelle Messung sagt uns nichts, aber nach tausend Elektronen haben wir die relative Wahrscheinlichkeiten der beiden Orientierungen. Daraus können wir Berechnen Sie die Magnetfeldstärke.

Dies kann im Prinzip ein hochgenauer Sensor sein. Nur eine was im weg steht: lärm. Der Wert der Wahrscheinlichkeit Die Amplituden hängen von dem Weg ab, den sie einschlagen (wenn auch nicht unbedingt die Entfernung, die sie zurücklegen). Dieser Weg wird von der lokale Umgebung auf unvorhersehbare Weise, so ist jedes Elektron eigentlich eine Messung des Einflusses des Magnetfeldes wir willst plus einen zufälligen beitrag von lärm messen. Letzteres ist für jedes Elektron unterschiedlich. Wenn das Geräusch groß genug ist, ist es alles gleicht sich so aus, dass die beiden Messergebnisse (abgeglichen und Anti-Alignment) haben die gleiche Wahrscheinlichkeit.

Das Geräusch kann nicht reduziert werden. Also, um eine gute Messung zu erhalten, wir müssen unser Elektron für zufällige Schwankungen unempfindlicher machen und empfindlicher für das Signal, an dem wir interessiert sind.

Sensibel werden

Bei der Messung von zeitabhängigen Signalen die Art und Weise zu tun Dies ist, um das Elektron wiederholt sehr hart zu schlagen. In Abwesenheit von irgendeinem Pochen oder irgendeinem Rauschen die Wahrscheinlichkeitswelle des Elektrons ändert sich reibungslos mit der Zeit. Lärm fügt diesen kleine Sprünge hinzu Änderungen. Es sieht ein bisschen so aus, als ob die Welle vorwärts (oder rückwärts) gesprungen wäre. in der Zeit, ohne dass Sie es merken.

Wir wollen aber keine kleinen Sprünge, denn die stören das Signal. Stattdessen wollen wir das Elektron mit einem Quanten treffen Baseballschläger, der einen Sprung schafft, der groß genug ist, um den zu tauschen Wahrscheinlichkeitsamplituden der beiden möglichen Ergebnisse (dies wird als ein “Pi-Puls”). Wenn Sie dies in regelmäßigen Abständen tun, ist der Effekt um alle rauschbedingten Änderungen rückgängig zu machen, die sich während der Intervall.

Wenn also kein Signal und nur Rauschen vorhanden ist, messen Sie kein Netz Änderung der Wahrscheinlichkeiten. Aber wenn das Magnetfeld schwingt mit einer konstanten Frequenz (oder genauer gesagt, treibt das Qubit bei diese Frequenz), werden die Änderungen in der Wahrscheinlichkeitsamplitude akkumulieren.

Dies funktioniert nur, wenn sich die Signale im selben Zeitraum wie die ändern Intervall zwischen den Schlägen, die wir dem System geben. Im Wesentlichen wir habe einen sehr engen Filter (diejenigen von euch, die mit Elektronik spielen) kann die Beschreibung eines in versteckten Lock-In-Verstärkers erkennen Hier).

Der Filter ist zwar schmal genug, um nützlich zu sein, kann es aber nicht sein Frequenz gleichmäßig verschoben, daher können wir nicht über Frequenzen hinweg suchen. Das große Problem ist die Technologie. Unser Quantenbaseballschläger ist oft ein Mikrowellenpuls. Diese Impulse müssen von etwas erzeugt werden, und ein guter Signalgenerator kann seine Ausgabe jedes Mal aktualisieren Nanosekunde. Das heißt, Sie können nur das Intervall ändern zwischen Impulsen (und der Länge jedes Impulses) in Schritten von eins Nanosekunde.

Stellen Sie sich vor, Sie möchten die Frequenz und Amplitude von messen ein wechselndes Magnetfeld. Sie wissen, dass das Magnetfeld variiert bei einer Frequenz von ca. 5 MHz (das bedeutet, dass in 100ns das Feld geht von voll positiv zu voll negativ). Aber du kennst das nicht Frequenz genau. Um das Magnetfeld zu finden, tippen Sie Ihren Puls Intervall über die Zeit, um den gesamten Bereich von Interesse abzudecken. Sie finde … nichts. Warum? Weil das Magnetfeld bei a Frequenz, die zwischen den kleinsten Schritten lag, die Sie konnten nehmen.

Dasselbe Problem betrifft die Kontrolle von Qubits. In einem Gerät bei mehreren Qubits ist jedes ein bisschen anders und muss es auch sein gesteuert mit einem etwas anderen Satz von Mikrowellenimpulsen. Das Die Auflösung unserer Instrumente lässt dies nicht zu sehr gut optimiert.

Der Weg, dies zu umgehen, ist, wie sich herausstellt, die Behandlung der Elektron etwas schöner. Anstatt wiederholt einen Baseball anzuwenden Fledermaus üben wir einen sanften Druck auf das Elektron aus. Diese glatte Mikrowelle Puls hat den interessanten Effekt der Erhöhung der zeitlichen Auflösung der Impulse. Infolgedessen erhalten wir eine höhere Frequenz Auflösung (und bessere Qubit-Kontrolle).

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